شکستگی هیدرولیک: انواع، محاسبات و فرآیند تکنولوژیکی

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

شکستگی هیدرولیک (HF) یکی از موثرترین اقدامات زمین شناسی و فنی است که هدف از آن تشدید جریان سیال سازند به چاه های تولیدی است. استفاده از این فناوری نه تنها امکان افزایش بازیابی ذخایر در شعاع زهکشی چاه را فراهم می کند، بلکه این منطقه را نیز گسترش می دهد و بازیافت نهایی نفت از مخزن را افزایش می دهد. با توجه به این عامل، طراحی توسعه میدان را می توان با آرایش یک الگوی چاه پراکنده انجام داد.

توضیح کوتاه

ماهیت شکست هیدرولیک با فرآیند زیر توصیف می شود:

• مخزن تحت فشار بیش از حد قرار می گیرد (مصرف سیال فرآیند بسیار بیشتر از آن است که توسط سنگ ها جذب شود)؛
• فشار پایین چاله تا زمانی که از تنش های داخلی در منیفولد فراتر رود افزایش می یابد؛
• سنگها در صفحه ای با کمترین استحکام مکانیکی پاره می شوند (اغلب در جهت مایل یا عمودی)؛
• دوبارهترک های ایجاد شده و قدیمی افزایش می یابد، ارتباط آنها با سیستم منافذ طبیعی ظاهر می شود؛
• منطقه افزایش نفوذپذیری در نزدیکی چاه افزایش می یابد؛
• پروپانت های دانه ای ویژه (proppants) به شکستگی های منبسط شده پمپ می شوند تا آنها را در حالت باز پس از برداشتن فشار روی سازند ثابت کنند؛
• مقاومت در برابر حرکت سیال سازند تقریباً صفر می شود، در نتیجه سرعت جریان چاه چندین برابر افزایش می یابد.

طول شکستگی در سنگها می تواند چند صد متر باشد و کف چاه به مناطق دورافتاده مخزن متصل می شود. یکی از مهم ترین عوامل در اثربخشی این درمان، تثبیت ترک است که امکان ایجاد کانال فیلتراسیون را فراهم می کند. با این حال، با افزایش اندازه شکستگی، بهره وری چاه نمی تواند به طور نامحدود افزایش یابد. حداکثر طولی وجود دارد که بالاتر از آن سرعت جریان شدیدتر نمی شود.

دامنه کاربرد

این فناوری هم برای تولید (بازیابی پیشرفته نفت) و هم برای تزریق (افزایش قابلیت تزریق)، چاه های افقی و عمودی استفاده می شود. زمینه های زیر کاربرد شکست هیدرولیک متمایز می شود:

• تشدید میزان تولید چاه‌های با ناحیه ته‌چاله آلوده در مخازن با نفوذپذیری متفاوت؛
• توسعه کانسارهای ناهمگن؛
• بهبود اتصال هیدرودینامیکی چاه با سیستم شکست طبیعی در مخزن؛
• گسترش ناحیه ورودی سیال مخزن؛
• توسعه مخازن با نفوذپذیری کم وچاه های کم حاشیه؛
• تغییر در جریان تراوش در چاه های تزریق؛
• بازیابی پارامترهای چاهی که توسط روش‌های دیگر تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند.

محدودیت های فناوری شکست هیدرولیکی مناطق نفت گاز است که با ویژگی های زیر مشخص می شود:

• مخروطی سریع (کشیدن آب سازند به کف چاه)؛
• نفوذ ناگهانی آب یا گاز به داخل چاه؛
• مخازن تخلیه شده با ذخایر کم، لنزهای اشباع از روغن با حجم کم (به دلیل عدم سود اقتصادی).

اغلب شکستگی هیدرولیکی به عنوان یک روش تحریک برای مخازن با نفوذپذیری متوسط و بالا استفاده می شود. برای آنها عامل اصلی در افزایش جریان ورودی سیال مخزن طول شکستگی تشکیل شده و در نهشته های با نفوذپذیری سنگ کم عرض آن است.

شکستگی هیدرولیک: مزایا و معایب

مزایای شکست هیدرولیک عبارتند از:

• قابل استفاده برای مناطق با ساختار زمین شناسی متنوع؛
• تاثیر هم بر کل مخزن و هم بر بخش آن؛
• کاهش موثر مقاومت هیدرولیکی در ناحیه کف چاله؛
• اجتماع مناطق مجاور با زهکشی ضعیف؛
• مایع کار ارزان (آب)؛
• سودآوری بالا.

معایب عبارتند از:

• نیاز به ذخایر بزرگ آب، ماسه، مواد شیمیایی اضافی؛
• فرایند کنترل نشده ایجاد شکاف در سنگ، غیرقابل پیش بینی بودن مکانیسمترک خوردگی؛
• هنگامی که چاه هایی با دبی بالا پس از شکستگی هیدرولیکی به بهره برداری می رسند، می توان از شکستگی ها حمایت کرد و در نتیجه درجه باز شدن آنها و کاهش سرعت جریان در ماه های اول پس از شروع ایجاد می شود. عملیات؛
• خطر بیرون زدگی کنترل نشده و آلودگی محیطی.

تغییرهای فرآیند

روش های شکستگی در نوع شکل گیری شکستگی، حجم مایع و مواد اولیه تزریق شده و سایر خصوصیات متفاوت است. انواع اصلی شکست هیدرولیک شامل موارد زیر است:

• با توجه به ناحیه تأثیر بر سازند: محلی (طول شکستگی تا 20 متر) - گسترده ترین. نفوذ عمیق (طول شکستگی 80-120 متر)؛ جرم دار (1000 متر و بیشتر).
• براساس پوشش درز: تک (تاثیر روی همه درزها و لایه‌های میانی). چندگانه (برای چاه هایی که 2 یا چند لایه باز کرده اند)؛ فاصله زمانی (برای یک مخزن خاص).
• روش های ویژه: شکستگی اسیدی. تکنولوژی TSO - تشکیل شکستگی های کوتاه برای جلوگیری از انتشار آنها در تماس آب و روغن و کاهش حجم تزریق پروپانت (این روش کارایی بالایی در مخازن شنی نشان می دهد). ضربه (ایجاد چندین شکستگی شعاعی واگرا در سنگهای با نفوذپذیری متوسط و بالا برای کاهش اثر پوستی - بدتر شدن نفوذپذیری منافذ به دلیل آلودگی آنها با ذرات موجود در مایع سازنده فیلتر).

چندینشکاف

شکستگی هیدرولیکی چندگانه با چندین روش انجام می شود:

1. ابتدا، یک ترک با استفاده از فناوری معمولی ایجاد می شود. سپس با تزریق موادی (نفتالین دانه ای، گلوله های پلاستیکی و غیره) که سوراخ ها را می بندند، موقتاً مسدود می شود. پس از آن، شکستگی هیدرولیک در جای دیگری انجام می شود.
2. جداسازی مناطق با استفاده از پکرها یا گیت های هیدرولیک انجام می شود. برای هر یک از فواصل، شکست هیدرولیک طبق طرح سنتی انجام می شود.
3. شکستگی هیدرولیکی مرحله‌ای با جداسازی هر ناحیه زیرین با یک پلاگ ماسه.

در مقاطع سفالی، مؤثرترین آنها ایجاد شکستگی های عمودی است، زیرا آنها لایه های میانی نفت و گاز را به هم متصل می کنند. چنین شکستگی هایی با عمل مایعات غیر قابل فیلتر یا با افزایش سریع سرعت تزریق ایجاد می شوند.

آماده سازی برای شکست هیدرولیک

فناوری مخزن هیدرولیک از چند مرحله تشکیل شده است. کار مقدماتی به شرح زیر است:

1. مطالعه چاه ورودی سیال سازند، قابلیت جذب سیال عامل و تعیین فشار مورد نیاز برای شکست هیدرولیکی.
2. تمیز کردن سوراخ کف از پوسته ماسه یا خاک رس (شستشو با آب تحت فشار، تصفیه با اسید هیدروکلریک، سوراخ کردن با سندبلاست هیدرولیک و روش های دیگر).
3. بررسی چاه با یک الگوی خاص.
4. فرود به داخل لوله های چاه برای تامین مایع کار.
5. نصب پکر فشار و لنگرهای هیدرولیک برای محافظت از پوشش.
6. نصب سرچاهتجهیزات (منیفولد، روان کننده و سایر دستگاه ها) برای اتصال واحدهای پمپاژ به خطوط لوله تزریق و آب بندی چاه.

نمودار اصلی لوله کشی تجهیزات فرآیند در هنگام شکست هیدرولیک در شکل زیر نشان داده شده است.

توالی شکست

تکنیک و فناوری شکست هیدرولیک از مراحل زیر تشکیل شده است:

1. لوله های تزریق با یک سیال کار (بیشتر نفت برای یک چاه تولید یا آب برای یک چاه تزریق) عرضه می شود.
2. فشار سیال شکست را به حداکثر مقدار طراحی افزایش دهید.
3. سفتی بسته بندی را بررسی کنید (نباید مایع از آنولوس سرریز شود).
4. پس از وقوع شکستگی هیدرولیکی، پروپانت به سیال کار اضافه می شود. این با افزایش شدید در تزریق چاه (افت فشار در پمپ ها) قضاوت می شود.
5. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو برای راستی‌آزمایی بعدی منطقه از دست دادن با استفاده از گزارش هسته‌ای، در آخرین دسته از محرک گنجانده شده‌اند.
6. برای پشتیبانی مطمئن ترک، مایع فشرده کننده بالاترین فشار را تامین کنید.
7. برداشتن سیال شکستگی از پایین برای اطمینان از ورود سیال سازند به داخل چاه.
8. تجهیزات فرآیند را از بین ببرید.
9. چاه در حال راه اندازی است.

اگر چاه نسبتا کم عمق باشد، سیال کار مجاز است از طریق لوله های پوششی تامین شود. همچنین امکان انجام شکستگی هیدرولیکی بدون آن وجود داردبسته بندی - از طریق لوله های لوله و حلقه. این باعث کاهش تلفات هیدرولیکی برای سیالات بسیار ویسکوز می شود.

ماشین آلات و مکانیزم برای شکست هیدرولیک

تجهیزات شکست هیدرولیک شامل انواع تجهیزات زیر است:

• ماشین ها و دستگاه های زمینی: واحدهای پمپاژ (ANA-105، 2AN-500، 3AN-500، 4AN-700 و دیگران)؛ کارخانه های مخلوط کردن شن و ماسه روی شاسی خودرو (ZPA، 4PA، USP-50، Kerui، Lantong و دیگران)؛ کامیون های مخزن برای حمل و نقل مایعات (ATsN-8S و 14S، ATK-8، Sanji، Xishi و دیگران)؛ لوله کشی سر چاه (منیفولد، سر چاه، شیرهای قطع، منیفولدهای توزیع و فشار با شیرهای چک، فشار سنج و سایر تجهیزات).
• تجهیزات کمکی: سنگدانه‌ها برای عملیات تردد. وینچ ایستگاه های نظارت و کنترل؛ کامیون های لوله و سایر تجهیزات.
• تجهیزات زیرزمینی: بسته‌کننده‌ها برای جداسازی سازندی که در آن شکستگی هیدرولیکی برنامه‌ریزی شده است از بخش دیگری از رشته تولید. لنگر برای جلوگیری از بلند کردن تجهیزات زیرزمینی به دلیل فشار زیاد؛ رشته لوله.

نوع تجهیزات و تعداد قطعات تجهیزات بر اساس پارامترهای طراحی شکست هیدرولیک تعیین می شود.

ویژگی های طراحی

فرمول های اساسی زیر برای محاسبه شکست هیدرولیک استفاده می شود:

1. BHP (MPa) برای شکستگی هیدرولیکی با استفاده از یک سیال فیلتر شده: p=10^-2KL_c، که در آن K ضریب انتخاب شده از محدوده مقادیر 1، 5-1، 8 MPa/m، L است. _{c – طول چاه، m.}
2. فشار تزریق مایع با ماسه (برای تقویت شکستگی): p_p =p - ρgL_c + p_t، که ρ چگالی مایع حامل ماسه است، kg/m³، g=9.8 m/s², p _t - کاهش فشار به دلیل اصطکاک سیال حامل شن و ماسه. آخرین شاخص با فرمول تعیین می شود: p_t =8λQ² ρL_c/(πdB₎2 ^B - قطر داخلی لوله.
3. تعداد واحدهای پمپاژ: n=pQ/(p_pQ_pK_T) + 1، که در آن p_p فشار عملکرد پمپ است، Q_p منبع آن در یک فشار معین، K است. T- ضریب وضعیت فنی دستگاه (انتخاب شده بین 0.5-0.8).
4. مقدار سیال جابجایی: V=0, 785d_B²L_c.

اگر شکستگی هیدرولیکی با استفاده از شن و ماسه به عنوان پیش‌پاش رخ دهد، مقدار آن در هر عملیات 8-10 تن در نظر گرفته می‌شود و مقدار سیال با فرمول: تعیین می‌شود.

V=Q_sC_s، که در آن Q_s مقدار ماسه است، t، C_s - غلظت ماسه در 1 متر^{3 مایع.}

محاسبه این پارامترها مهم است، زیرا در یک مقدار فشار بیش از حد بالا در حین شکست هیدرولیک، سیال به مخزن فشرده می شود و حوادث در آن رخ می دهد.ستون تولید در غیر این صورت، اگر مقدار خیلی کم باشد، به دلیل عدم توانایی در رسیدن به فشار مورد نیاز، شکستگی هیدرولیک باید متوقف شود.

طراحی شکستگی به شرح زیر انجام می شود:

1. انتخاب چاه ها بر اساس سیستم توسعه میدان موجود یا برنامه ریزی شده.
2. تعیین بهترین هندسه شکست با در نظر گرفتن چندین عامل: نفوذپذیری سنگ، شبکه چاه، نزدیکی به تماس نفت و آب.
3. تحلیل خصوصیات فیزیکی و مکانیکی سنگها و انتخاب مدل نظری برای تشکیل ترک.
4. تعیین نوع پروپانت، مقدار و غلظت.
5. انتخاب سیال شکست با خواص رئولوژیکی مناسب و محاسبه حجم آن.
6. محاسبه سایر پارامترهای تکنولوژیکی.
7. تعریف کارایی اقتصادی.

Frac Fluids

سیال های کاری (جابجایی، شکستگی و حامل ماسه) یکی از مهم ترین عناصر شکست هیدرولیک هستند. مزایا و معایب انواع مختلف آنها در درجه اول به خواص رئولوژیکی مربوط می شود. اگر قبلاً فقط از ترکیبات مبتنی بر روغن ویسکوز استفاده می شد (برای کاهش جذب آنها توسط مخزن)، پس افزایش قدرت واحدهای پمپاژ اکنون امکان تغییر به سیالات مبتنی بر آب با ویسکوزیته کم را فراهم کرده است. به همین دلیل فشار سر چاه و تلفات مقاومت هیدرولیکی در رشته لوله کاهش یافته است.

در عمل جهانی، موارد زیر استانواع اصلی سیالات شکست هیدرولیک:

• آب با و بدون پروپانت. مزیت آن هزینه کم است. نقطه ضعف آن عمق کم نفوذ به مخزن است.
• محلول های پلیمری(گوار و مشتقات آن PPG، CMHPG؛ سلولز هیدروکسی اتیل اتر، کربوکسی متیل سلولز، صمغ زانتان). B، Cr، Ti، Zr و سایر فلزات برای اتصال عرضی مولکول ها استفاده می شود. از نظر هزینه، پلیمرها جزو دسته متوسط هستند. عیب چنین سیالاتی خطر بالای تغییرات منفی در مخزن است. از مزایای آن می توان به عمق نفوذ بیشتر اشاره کرد.
• امولسیون های متشکل از یک فاز هیدروکربنی (سوخت گازوئیل، نفت، میعانات گازی) و آب (معدنی یا تازه).
• ژل های هیدروکربنی.
• متانول.
• دی اکسید کربن غلیظ شده.
• سیستم های فوم.
• ژل های فوم، متشکل از ژل های متقاطع، فوم های نیتروژن یا دی اکسید کربن. آنها هزینه بالایی دارند، اما کیفیت کلکتور را تحت تأثیر قرار نمی دهند. مزیت های دیگر این است که ظرفیت حمل بار بالا و خود تخریبی با مقدار کمی مایع باقی مانده است.

برای بهبود عملکرد این ترکیبات، از افزودنی های تکنولوژیکی مختلف استفاده می شود:

• سورفکتانت;
• امولسیفایر;
• مفاصل کاهنده اصطکاک مایع؛
• فومرها;
• افزودنی هایی که اسیدیته را تغییر می دهند؛
• تثبیت کننده های حرارتی؛
• افزودنی های ضد باکتری و ضد خوردگی و دیگران.

ویژگی های اصلی سیالات شکست هیدرولیک عبارتند از:

• ویسکوزیته دینامیکی مورد نیاز برای باز کردن یک ترک؛
• خواص نفوذ که از دست دادن مایع را تعیین می کند؛
• قابلیت حمل مواد بدون ته نشین شدن پیش از موعد از محلول؛
• پایداری برشی و دما؛
• سازگاری با سایر معرفها؛
• فعالیت خورنده؛
• سبز و ایمن.

سیالات با ویسکوزیته کم نیاز به تزریق حجم بیشتری برای رسیدن به فشار مورد نیاز در مخزن دارند و سیالات با ویسکوزیته بالا نیاز به فشار بیشتری دارند که توسط تجهیزات پمپاژ ایجاد می شود، زیرا تلفات قابل توجهی در مقاومت هیدرولیکی رخ می دهد. مایعات چسبناک بیشتر نیز با فیلترپذیری کمتر در سنگ ها مشخص می شوند.

مواد نگهدارنده

پرکاربردترین پروپانت ها یا پروپانت ها عبارتند از:

• شن کوارتز. یکی از رایج ترین مواد طبیعی است و بنابراین هزینه آن کم است. رفع ترک ها در شرایط مختلف زمین شناسی (جهانی). اندازه دانه های ماسه برای شکست هیدرولیک 0.5-1 میلی متر انتخاب می شود. غلظت در مایع حامل شن و ماسه بین 100-600 کیلوگرم بر متر 3 متفاوت است. در سنگ هایی که با شکستگی قوی مشخص می شوند، مصرف مواد می تواند به چندین ده تن در هر چاه برسد.
• بوکسیت ها (اکسید آلومینیوم Al₂O_{3). مزیت این نوع پروپانت استحکام بیشتر آن نسبت به ماسه است. تولید شده توسطخرد کردن و برشته کردن سنگ معدن بوکسیت.}
• اکسید زیرکونیوم. دارای خواصی شبیه به نوع قبلی پروپانت است. به طور گسترده در اروپا استفاده می شود. یکی از معایب رایج چنین موادی هزینه بالای آنهاست.
• گرانول سرامیک. برای شکستگی هیدرولیک، گرانول هایی در اندازه های 0.425 تا 1.7 میلی متر استفاده می شود. آنها متعلق به گیاهان با مقاومت متوسط هستند. نشان دادن کارایی اقتصادی بالا.
• مرمرهای شیشه ای. قبلاً برای چاه‌های عمیق استفاده می‌شد، اما اکنون تقریباً به طور کامل با بوکسیت‌های ارزان‌تر جایگزین شده است.

شکستگی اسید

ماهیت شکست هیدرولیک اسیدی این است که در مرحله اول شکستگی به طور مصنوعی ایجاد می شود (دقیقاً مانند فناوری متداول شکست هیدرولیکی)، و سپس اسید به داخل آن پمپ می شود. دومی با سنگ واکنش نشان می دهد و کانال های طولانی ایجاد می کند که نفوذپذیری مخزن را در ناحیه کف چاله افزایش می دهد. در نتیجه ضریب بازیافت نفت از چاه افزایش می یابد.

این نوع فرآیند شکست هیدرولیکی به ویژه برای سازندهای کربناته موثر است. به گفته محققان، بیش از 40 درصد از ذخایر نفتی جهان مربوط به این نوع مخزن است. تکنیک و تکنولوژی شکست هیدرولیک در این مورد کمی با مواردی که در بالا توضیح داده شد متفاوت است. این تجهیزات در طراحی مقاوم در برابر اسید ساخته شده است. بازدارنده ها (فرمالین، یونیکول، اوروتروپین و غیره) نیز برای محافظت از ماشین ها در برابر خوردگی استفاده می شوند.

انواع شکستگی اسیدی درمان های دو مرحله ای با استفاده از موادی مانند: هستند.

• ترکیبات پلیمری(PAA، PVC، gipan ودیگران)؛
• ترکیبات لاتکس (SKMS-30، ARC);
• استایرن؛
• رزین (BNI-5، TSD-9، TS-10).

به عنوان حلال های اسیدی، از محلول اسید کلریدریک 15٪ و همچنین ترکیبات ویژه (SNPKh-9010، SNPKh-9633 و غیره) استفاده می شود.

انواع شکستگی اسیدی درمان های دو مرحله ای با استفاده از موادی مانند: هستند.

• ترکیبات پلیمری (PAA، PVV، gipan و دیگران)؛
• ترکیبات لاتکس (SKMS-30، ARC);
• استایرن؛
• رزین (BNI-5، TSD-9، TS-10).

به عنوان حلال های اسیدی، از محلول اسید کلریدریک 15٪ و همچنین ترکیبات ویژه (SNPKh-9010، SNPKh-9633 و غیره) استفاده می شود.